大速差预燃室的流场特征.pdf

第 ”卷 第 年 力 期 学 学 报 , 月 , 大速差预燃室 的流场特征 吴承康 包 琪 赵 烈 中 国 科 学 院 力学 研 究 所 提要 一 种 新型 的 大 速 差 同 向 射 流 预 燃 室 已 经 研 制 成 功 了 计算 这 种流 场 的 数 值 解 法 本 文 基于 算法 、 文 中 介 绍 了 算法 边 界 条 件 的 详 细 说明 以 及 计算结 果 , 发展 计算结 果 证 明 存在 大面 积 迥 流 区 呈 现 了 重 要 的 三维 特 征 本 文 初 步讨 论 了 设 计 参 数 对 迥 流特 性 的 影 响 关键 词 预 燃室 数 值 模 拟 稳 燃 迥 流 反 流 大 速差 同 向 射 流 , , , , 一 、 , 言 引 我 国 已 研 制 出多 种 用 于 锅 沪 点 火 的 预 燃 室 但 它 们都 具 有 常 规 的 构 型 , 制 了一 种 新型 预燃室 的 三维 特性 而且 , 大 速 差 同 向 射流 的 布 局 导 致 高湍 流 强 度 的 大 面 积 迥 流 区 这 种 流 场 具 有 跟 大 速 差 复式 同 心 射 流 流 场 类 似 的 迥 流 机 理 然而 , 通 过 射 流 的 布局 以 及 射流 参数 的 选 择 就 可 改 变 流 场 , 最近 我们研 它显示 了 明 显 有必 要仔细研 究这 种 具 有 复 杂 湍 流 特 性 的 三 维 迥 流 流 场 目的 在 于 因 此 我 们 对 这 种 流 场 进 行 了数 值 模 拟 , 从而提 供确 立设计 准 则的理 论 依 据 响 迥 流 特 征 的若 干 因素 二 一 基于时平均 的数值方法 一 。 用 其中 其中 模型 描述湍 流 数学模 型 与 解 法 算法 · 〕 甲 一 , 豁 口留 吸一二 一 本 文 采 用交 错 网 格 ’ 豁 口“ , 门 — — ’ 我们 发 展 了计算三维湍流流 场 币 它 们 各 自的 表 达式 列 于 表 斋 于」 口二 月 鉴 于构 型 的对 称性 凡 ’ 十 臼 犷 , 所 求 解 的 方程 组 具 有 下 列 统 一 形 式 · 及 凡 为 相 应 方 程 的 交换 系 数 与 源 项 一 , 、 方程组 的 甲 , 阐 明 迥 流 的 特 征 与 机 理 考察 影 , — , , — 口 口, 、 盆 」 , 妞 — 十 生 口 可以 只算半个 预燃室 作 鱼日 一 竺 、 计算 域 的 节 点 数 为 拼 及 向 的 网 格 是 非 均 匀 分 布 的 但 在 向 是 均 布 的 计算域 周 向 分 为 一 等分 每个 子区域的张角 为 和 两 个 周 向 切 面 构 成 对 称面 ‘ , 在 控 制 体 积 上 积 分 原 方 程 组 导 出控 制 方 程 组 的 离 散 形 式 本文于 年 , , 月 日 收 到 , 中 国 科学 院科 学 基金 资 助 的 课题 学 力 报 学 年 卷 第 表 、 。 二 , , “ “ 。 二 一 一又 , , 一 一 一 一 一 拜 一 二 一 一 户 一一 一 竺竺 一 一 对 于流 动变 量 币 二 。 小 一 泣 几 一 左, 二 士 , 口 即 , , 、, 。 , 尸 了 、甲 了 茵 万 口口 甲了 , , 二 扩 , 户 , 甲 ‘ 早 甲 一屯 , 小 , , , 孙 口 只 一 二兰 竺兰 甲 一 ,二 夕 一 即 、 一 一 刃 一 二卫竺一 二 二 — 十 月 小、 , ‘ 。 二 八三卜 十 十 二十 一 币。 十 凡 △ 一 一一 二 一 才 士 、 二 一 凡△ , ‘ 一 占、 一 , 组 合 连 续 方 程 与 动 量 方 程 可 得 压 力校 止 方 程 从 而 确 定 压 力场 式一样 但方 程 的系数 与 三 、 , , 的流 场特 性 木 文选 用了上 述构 型 的 速 度进 人 预 燃 室 选 择 的 几 何 尺 寸如 下 端面 为 证 实这 种 预 燃 室 预燃室 长 度 · 一 直径 一 小孔离 轴距离 它 们 的 结 构 及 物 理 参数 列 于 表 表 上 些 二二一… 二二一兰 一 立 一次风速 度 ’。 一 次 风直 悦 · 。 ‘了 一 乙 、 “ ” 孔 所 在 , 山, 小孔 竺速 小孔 血积 ’。 吵 “ 艺 · 了“ , , 土 一 加 ‘ 它 算法 求解 配 置 有 小 喷 口 它 们 离 轴 一 定 距 离 由此 引 入 蒸 汽 或 空 气 的 高速 射 流 , , 直 计 算对象 与 边 界 条件 燃烧 实验 中 煤 粉和一次风 沿着预燃室 的轴 以大约 , , 式 的不 同 , 找 们算了 四 种工 况 一 , 离 散 化 以 后 得 到 的 代数 方 程组 采 用 具 有 对 称 边 界 条 件 的 斗 而 基 于 猜 测 的 压 力场 算 出速 度 场 而 后 校 正 压 力 与速 度 本 文 算法 的主 要 特征 是 的 差分 形 式 与 一 , 一 、 至 满足 连 续 方 程 产 入 二二立 上 十 一 、 — 一 一 、 一 价。 。‘ ’ 拌 , 杀犷 叹 二 一。 口、 二 丁 一 不犷 , , 。 了二 万 、二 犷 尸。 一 ‘ 二 立 三土竺立全七 一 , 竺竺 。 户 七 , , 留 — 二 止 一 、 气一二 乃 ’ 只共 只厂 】十 泣一冬日 拌 厂 口 拜 「 。 。 , 尸 犷 它 的 差 分方 程 为 , 〔 一 汉 三 二立二三 风 , 此处 夕 , 又‘ 行 一 , 。 。, , 万 十 舟 蓦 拜 二 , 】 口 魂尸 牛 口 二 , , 一 , 一 产 —甲 二 竺 兰 沪 不不 毛二 。 。 , 一一 一 一 一 一二一 。 、 一 一 、、 丁 互 乃 工 “ 一 。。 。。 , 一 尸 一 了 口 ’ 。 下 丁一 式 万 口 一 ’ 厂 , 拌 留 。 手一 十 二 一卫 竺 一 一 。, , 、二 二 舀, 拌 福立 一 。 解 口, 二贾升 十 二 气舟 ,一 一 , , 。‘ 。 一 ’ 。 二汾乙 气拌 「 姿 ’ , 十 尸 二 。 , , 舟 奋 口 ’ ‘ ‘ 口 二 , , 若 十 任升 气拜 云一 一 一 … … … 一 一 … “ 弓 石 。 ‘, “ 了 ‘, , ‘ 斗匕 斗从 · · 。 岛 ‘ 川 一 ’ 一 , 第 吴承康 等 期 大 速 差 预 燃室 的流 场特 征 由于 微 分 方 程 是 椭 圆 型 的 在 所 有 边 界 上 都 要 给 出 边 界 条 件 , 流动变量的人 口 值是给定的 出 口 处 有关变 量 的梯 度 为零 然 而 要 注 意 保 证 质量 连 续 , 这 种 边 界 条 件 通 常 用于 大体上 在预燃室短 的情况下 除了 出 口 附近外 渠道 的 层 流 或 湍 流 膨 胀 流 动 问 题 , , 出流 , 边 界 条 件 对 流 动 特 征 的 影 响是 不 重 要闭 对 称面上 , 法 向速 度 分量 为零 其 它量 的法 向 导 数 为 零 上 的 条件 需 特 别 处理以 满 足 对 称面 条件 一 当然 预 燃室 轴 线 , 我 们 用跟对 称面 垂直 的面 上 跟 轴 平行 的 最 邻 近 的 网 格 线 上 相 应 节 点 的 周 向 速 度 分 量 来给 出轴 上 的 径 向 速 度 分 量 壁 面 附 近 因 变 量 的 变 化往 往 十 分 剧 烈 , 四 图 、 我 们 采 用 壁 函 数计 及 壁 面 通 量 结 果与 讨论 、 对 于 所示 的 四 号 工 况 小 孔 射流位 画 出所 选 的 若 干 纵 横 截 面 上 的 速 度矢 量 场 , 招 黑 二二之 些 一 龚 一 兰鉴 二二 二 二 声 君三 二匕二 二二 二 阳 二 汉 叭 二二 二 ﹄ 工 一 … 一 一 ﹄ 、 、 一 一 一 ‘ 厂 ‘ ﹂ 亡 匕 古 ,,‘ ﹄ 甘 一 图 不 同 纵 横 截面 上 的 速 度 场 四 号 工 况 力 于天 一 的截 而 上 此时 的截面上 没有 明 显反流 第 , 同时 看 出 在 , 卷 一 随 之 离 小 孔 所 在 截 面 越 远 则 截 面 上 的 反 流 范 围与 反 流 速 度 的 , , 木 文 所 有 计 算 都 证 实 了这 种 有 规 律 的 图象 大 小 增大 年 报 学 的 截面 上 所 有速 度都 朝着 出 口 一 , 学 这 跟 轴 对 称 复式 同 心 射 流 显 然不 同 充分 说 明 了 这 种 流 场 的三 维 特征 , 上 述 迥 流 流 场 的 不 对 称 性 取 决 于 高 速 小 孔 射 流 的 结构 与 流 动 特 征 本质 上 , 这种特 性 起 因 于 同 向 射 流 的 干 扰 以 及壁 面 的 限 制 作 用 四号工况下 纵 向迥流 在 不 同 的 劣 位 置 上 的 周 向 分 布 情 况示 于 图 , 它再次证 实 了 周 向不对 称性 图 流 率随 、 、 分 别 表 示 第 三 二 及 四 号 工 况 下 的 对 称面 上 的 流 动 及 所 有 计 算工 况 的 迥 向 距 离 的改 变 示 于 图 比较 图 与 , 一 证明 二者 的 截面 上 的反流特性 显著不 同 这 种差别起 因 。、 。 二 图 曰 瓜 不 同 横 截 面 上 的纵 向迥 流 区 分 布 四 号 工 况 汉 二 一 二 一 图 对 称 面 上 的 流 动 三 号 工况 、 、 、 、 ,︸ , 一 丁 墓髦 一 尸尸 一 呈 一仁之三厂 经 一 一 一声乙 一 、 — 一 ︸ ︸ 图 门 一 一 一 一 。 一。 对 称 面 上 的流 动 二 号 工 况 二 滋轰 人 第 吴承康等 期 大 速 差 预 燃室 的 流 场 特 征 二 才二 图 , 对 称 面 上 的 流 动 四 号 工况 ‘ 、 万 图 不 同工 况下 口 处小 孔的位 置不 同 况 然而 图 , , 向 的 迥 流 率 变化 通 过移 动端 壁 上 的小 孔位 置 , 可 以 改 变 预 燃 室 内的 迥流 区 分 布 状 表 明二者迥流 率 的差别不大 第 二 与 四 号 工 况 的 一次 风 速 度 不 同 比较 图 与图 , , 可 以 看 出二 号 工 况 下 截 面 上 的 正 向 流 动 较 弱 而 出 口 附近 的 迥流 区 比较 明 显 并且 在 , 截 面 上 的 反流 速 度也 更 为显著 这 正 是 由于 二 号 工 况 的 一 次 风 速 过 小 以 致 没 有 足 够 的 动 量 来 克 服 小 孔 高 速 射 流 扩 张 所 造成的逆压梯度所致 跟 二号工 况 相比 , 一 号 工 况 的 一 次 风 动 量 较 大 但 射 流 的 速 差较 小 图 表明一号工 况 的 迥 流 率较 小 由本 文 计 算 结 果 可 以 看 出二 号 工 况下 况 的 相应值大 , 所 有 纵 截 面 上 的 迥流 范 围 与 大 小 都 比 一 号 工 由此 可 见 射 流 的 大 速 差是 产 生 大 面 积 迥 流 区 的 重 要 原 因 , 力 学 五 、 学 年 , 结 第 , 卷 论 本 文 所 得 的 结 果 定性 估 价 了 预 燃 室 中 大 速 差 同 向 射 流 诱 导 的 流 场 所 有 结 果 都 预 示 了 大 面 积 迥流 区 这 种 流 动 特 征 是 稳 燃 的主 要 机 理 , 通 过 调 节 小 孔 位 置 预 燃 室 中的 迥 流 区 分 布 将 发 生 重 大 改 变 , 但 是 这 对 迥 流 率没 有 , 显 著影 响 只 要 射流 的 速 差 及 流 量 比 超 过 某 一 闭 值 总 能 形 成 大 面 积 迥 流 区 可 见 大 速 差是 影 , , 响 迥 流 强 度 的 主 要 因素 我 们将 进 一 步 研 究 大 速 差 同 向 射 流 的 稳 焰 机 理 参 月 卫 胜 ,, ‘ 土 匕 」 斗 ﹄ 飞 , 考 赵 烈 燃 烧 室 迥 流 流场 的 数 值 模拟 空 气 动 力 学 学 报 , , , , , 〔 献 ‘ , 刃一 , 一 , , 文 记 。 , , , 户。 才 , , , 九 , 击 , , 吴文 东 简 化 燃 气 轮 机 燃 烧 室 内三 元 流 动 的 数 值 计 算 中 国工 程 热 物 理 学 会 第三 届 年 会 学 术 论文 , , , 。了 ,。 , , , , 五 , , , 坛 。宕 犷 。 , , 。 孔 。 , 心 依 ,